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瓦特是怎么发明蒸汽机的?

瓦特是怎么发明蒸汽机的?

詹姆斯·瓦特,1736年1月19日生于苏格兰林诺克市的一个木匠家里。在教会学校读书时,瓦特最喜欢物理和数学,他的物理和数学成绩之佳和其他科目成绩之差的巨大反差,使许多老师和同学们感到吃惊。瓦特的父亲十分崇拜牛顿,在家里挂着牛碰辩核顿的画像,这使瓦特从小就萌生找机会接受高等教育,做个牛顿那样的人的愿望。

1763年,这已经是瓦特到格拉斯哥大学担任大学机械技师的第六个年头了。这次,格拉斯哥大学从伦敦买回一台纽康门蒸汽机模型供演示实验用,但经常运转不灵。瓦特受安塔逊教授的委托,修理这台纽康门气压蒸汽机模型。

安塔逊教授之所以心急火燎地从伦敦赶回来,就是因为他忘记告诉瓦特使用模型的准确时间了。在格拉斯哥大学,耽误了上课可不是闹着玩儿的。

在接触纽笑掘康门蒸汽机模型之前,瓦特对有关蒸汽机的知识知道的并不多。只是在两年前,他曾用帕平研制的蒸汽锅协助布莱克教授进行过高压蒸汽实验。蒸汽机模型一运到实验准备室,好奇心使从小就是机械迷的瓦特跃跃欲试,没等安塔逊教授吩咐,就立即着手拆装和修理它了。半个多月来,蒸汽机迷住了瓦特,使他达到废寝忘食的地步。

晚上,瓦特躺在格拉斯哥城郊大学公寓里,久久不能入睡,满脑子都是纽康门蒸汽机。他拧亮了煤气灯,拿起白天从图书馆收集来的有关蒸汽机的资料,仔细地阅读,又开始琢磨起来……

早在公元100年左右,埃及的亚历山大城有一位学者希罗,制造了一种按照喷射反作用原理运作的蒸汽发动机雏形。第一部活塞式蒸汽机是1690年由法国人帕平在德国发明的。他是第一个指出了蒸汽机的工作循环的人,为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

17世纪末,随着矿产品需求量的增大,矿井越挖越深,英国的许多矿井遇到了严重的积水问题。当时一般只有靠马力转动辘轳来排除积水。针对这一情况,英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉研制了蒸汽泵。这是一种没有活塞的蒸汽机,尽管该机燃料消耗很大,也很不经济,但它是人类历史上能实际应用的第一部蒸汽机。

1705年,英国一个铁匠纽康门,综合了前人的技术成就,设计制成了一种更为实用的气压式蒸汽机。它实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动,每分钟往返12次。每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。当时的纽康门蒸汽机主要用于深矿井排水。

然而,纽康门蒸汽机有重大的缺陷,它不仅效率低,做功时需要大量的燃煤,而且只能做简单的往复运动。所以,其使用范围受到限制。人们渴望获得新型的蒸汽机。

瓦特边看边琢磨,越琢磨越睡不着觉了。平素他犟脾气一上来,非马上问个究竟,可以几夜不睡。今晚,也不知是他第几次发犟脾气了,看来,为了弄清这台蒸汽机的工作原理,他又要开夜车了。

第二天,瓦特立即着手工作。首先,他开始研究纽康门蒸汽机的动作方式,分解其动作步骤。锅炉产生的蒸汽进入汽缸内,活塞被压起。接着通过向汽缸内喷水、冷却,使蒸汽凝缩,制成真空。这样,施加在活塞上的大气压将其压下,与活塞杆相连接的泵的活塞被拉起,就可以从矿坑内吸上水来。瓦特注意到,在蒸汽机锅炉里产生的蒸汽量,只够活塞几次工作所用,然后,机器需要等候锅炉将蒸汽积蓄起来,才能开始重新工作。通过进一步观察研究,瓦特又发现,用蒸汽加热汽缸,再用水冷却,是不合理的。汽缸由热变冷,再由冷变热需耗费很多时间。

怎样才能保持汽缸的原有热量,还能使蒸汽凝缩呢?瓦特苦苦地思索这一问题,很长时间得不到答案。灶凯这使他茶饭不思,打不起精神来。

格拉斯哥大学校门外,左边是一大片绿草如茵的平地,右边是一个波平如镜的小湖。一天,瓦特漫步在草坪上,不时地把目光投在天空中远去的白云,若有所思。突然一个奇异的想法涌上他的脑际。这个想法仿佛是打开问题的钥匙,好像是上帝给他送来了及时雨似的。瓦特豁然开朗了。蒸汽是有弹性的物体,所以,可以使其进入真空。如果将汽缸和排气容器相连接的话,蒸汽就可以进入容器内,无需再冷却汽缸,蒸汽就可以冷缩,同样完成纽康门蒸汽机的工作。

经历多次实验和修改,问题终于解决了。蒸汽并不需要直接在汽缸里凝聚,而是在与汽缸相连接的另一个容器里凝聚。瓦特发明了冷凝器,在科技发展史上奠定了蒸汽机实用化的坚实基础。不久,他又设想将汽缸两端加盖封闭起来,就可以实现蒸汽机的二冲程运动。将二冲程直线运动转变成循环圆周运动,就容易多了。巧妙的设想为瓦特打开了走向成功的大门。

在瓦特时代,英国的工业界还很少有人能够按着比较复杂的机器图纸,准确无误地加工各种机器部件,甚至连加工时需用的机床也还不很精确。按照瓦特设想制造的蒸汽机样机以失败告终,这使得瓦特一贫如洗。瓦特为了完成自己的设计几乎变卖了所有值钱的东西。

瓦特遭到了多次失败,并没有灰心气馁,他顶着许多人的嘲笑,为完善自己的发明继续孜孜不倦地工作着。

一天,通过好友布莱克教授的介绍,瓦特结识了发明镗床的威尔金森技师。这位技师为瓦特苦心钻研精神所感动,他决定帮助瓦特,用他拿手的镗炮筒的技术来为瓦特加工汽缸和活塞,解决了蒸汽机的漏气问题。瓦特距离胜利的顶峰更近了。威尔金森加工的汽缸和活塞可谓无与伦比,它使瓦特又越过了一道技术难关,终于制成了第一台新型蒸汽机样机,运行正常,达到设计的要求,获得了一致的好评。

瓦特并没有满足取得的成绩,不久又投入了新的研制工作。这需要他解决许多技术难题,又要吃苦了。不久,瓦特又找到了一个重要的合作者威廉·默多克,这更使瓦特如虎添翼,研制进度骤然加快。默多克是一个高级机械加工技师,什么东西到了他的手里,都会变成你所想要的样子。他既能解决技术难题,又富有很强的进取心,常常为了工作而忘记一切。

那是1785年,圣诞节的晚上。格拉斯哥城到处都沉浸在节日的气氛里。瓦特心里却惦记着尚未完工的蒸汽机,跑到了试验车间。穿过工厂院子时,瓦特看到车间窗子透出的灯光。原来是车间主任默多克在加班。默多克工作认真,从来不愿拖延工作,即使在圣诞节也不例外。他到工厂加班是为了连夜加工安装伦敦抽水站的机器零件。

两个人很快就结束了工作,度过了一个奇异的圣诞节。这时,瓦特又走到制图板前面。

“请过来,默多克!”

默多克走近制图板。

瓦特画了个汽缸。

“我想使蒸汽从两端进去推动活塞,从上面关闭汽缸,并把蒸汽输送到这里。对此您是怎么看的呢?”

默多克没做声。瓦特接着又往下画。

“现在汽缸活塞是上下直线运动,我想通过连在大轮上的一个轴改变直线运动。瞧,就是这样!用这样的方法我们可以变直线运动为循环运动。大轮的惯性推动活塞通过死点,就是这儿。”他演示着,“您看如何,默多克?”他又接着问。

“就是说需要做一个新样机。”默多克回答。

“毫无疑问。”瓦特用肯定的语气回答。他又接着问题:“什么时候开始?”

“立刻。”默多克回答很干脆。

“立刻……那好吧,立刻。”瓦特兴奋得语无伦次。

瓦特以狂热的激情投身于工作。他浇铸铜锭、锻造铜件、为汽缸钻孔,接着又车活塞、轴和轴承。原来设计的机器还未竣工,新的样机又开始投入研制,这就是瓦特的性格。

默多克也忙个不停,把炉火烧旺,擦净铸件,开动车床,站在他身旁的瓦特感到吃惊:身材魁梧的默多克竟然能干出最精细、准确的小活儿。一旦投入工作就始终不渝,这是默多克的脾气。

4个星期之后,新样机以崭新的面目和人们见面了,就等待试车了。一切就绪以后,瓦特用他那只因激动而颤抖的手,缓缓地拧开了通向蒸汽机的导气阀。工作状况正常,一切达到预期的效果。瓦特和默多克四只沾满油泥、乌黑的手紧紧握在了一起,成功的喜悦鼓舞了瓦特和默多克。

随即,瓦特又开始向带自动调速器的蒸汽机进军。他一心想彻底完善他的蒸汽机。瓦特从来不愿意说空话,只是默默地工作。机器的所有重要部件他都要亲自参与制造。他既是设计师,又是翻砂工;既是车工,又是钳工。每一道工序和每一个细节,都留下了瓦特的辛劳和汗水。

默多克领着十多个格拉斯哥技术最好的工人,同瓦特一起工作。瓦特的研制工作,吸引了格拉斯哥的能工巧匠。默多克把他们组成了攻无不克的加工小队。

经过一年多的顽强努力,机器逐渐安装好了。

终于,瓦特拧好了最后一个螺母,接着干脆把扳手扔到一旁。然后,长长地吸进了一口气,又徐徐地吐了出来。

“哎,默多克,要是我们现在有蒸汽那该多好啊,那我们就可以当场试验这台机器了。”

“有蒸汽。”

“现在,深更半夜?”

“是的,只要点上火,不消一刻钟我们就会得到所需要的蒸汽压力。”

沉默寡言的默多克说完,带着几个工人走了。静悄悄的车间里,瓦特独自一人面对着机器陷入了回忆的思绪之中。他回想起生养他的苏格兰林诺克小镇,想起爸爸繁忙的造船小工场,想起在机械加工专家摩根门下的学徒生活,更想起妻子米拉的热心支持和鼓励……

不大一会,默多克回来了。

“詹姆斯,一切都准备就绪了。试车吧!”

瓦特又一次把手放在进气阀门的刹把上。此刻,他倒觉得有些胆怯了。假如此时上帝有意要和他的蒸汽机作对,假如设计中有错误而被忽略了,假如汽缸壁和调速轮等部件上出现难以发现的裂纹,那该如何是好呢?一时间,一向果断、刚毅的瓦特显得有些缩手缩脚了。

现在,只要转动阀门的刹把,高压的蒸汽就会猛力地冲入汽缸。要么失败,要么成功,瓦特想了许多。最后,瓦特还是坚定地转动了阀门手柄。随着一阵震耳欲聋的巨大声响,高压蒸汽进入了汽缸。透过气缸缝隙冒出的吱吱作响的气雾,瓦特凝视着铁青脸色的默多克。工人们也屏住了呼吸。几分钟之后,蒸汽笼罩了整个机器和试验车间,灯光更加显得暗淡微弱了……

瓦特觉得他的心简直快要跳到嗓子眼了。

机器依旧纹丝不动。

透过气雾,他看见默多克双手在调整调速轮。终于,活塞开始上下缓慢地运动了,吱吱声中断了,接着活塞开始加速运动。通过曲柄和连杆的作用,一进一退的直线运动正在变成缓慢而平稳的转动。

瓦特僵直地钉在地上,嘴里像是被棉花堵住了似的,吐不出来又咽不下去。瓦特双手创造出来的机器倒把他自己给迷住了。默多克想用手使劲将调速轮刹住,但是轮子却把他的手推向一旁。他急了,使出全身的力气再加上几个身强力壮的工人,也做不到这一点。

瓦特革新的蒸汽机“这就是力量!”他大声地叫道。瓦特兴奋地点了点头。工人们欢呼起来,叫喊着跑出了车间。

“比水的力量大,它还可以加大,到处都可以用它。我想,有一天人们可以把机器安在马车上,不必套上马。车子就可以跑起来;或者将它安在航船上,逆风无帆,船儿也能漂洋过海,遍游四方。但是,我认为,它可以大大地减轻工人的劳动,给他们带来更多的闲暇时间。对此,你认为怎么样,默多克?”

“到那时,全世界就会变得更美好,亲爱的詹姆斯。这不正是你一直所希望的吗!”

两位老朋友幸福地畅谈着未来,憧憬着蒸汽机将给人类带来的益处。这时,太阳已悄悄地露出了笑脸,仿佛也在祝福这一对科学开拓者。从此,一个震撼文明世界的“蒸汽时代”开始了。

知识点

蒸汽时代

工业革命于18世纪60年代首先从英国开始,大量向外扩展则在19世纪初。因此,从宏观的角度分析,世界近代史的第二个时期——蒸汽时代起于19世纪初,止于19世纪70年代的第二次工业革命。在这个时期,资本主义的机器大革命开始出现,资本主义的世界体系开始初步确立。一种新的动力机器:蒸汽机的发明和应用,将人类带入了蒸汽时代。